天津大學(xué)劉文廣教授：3D打印超高強(qiáng)度聚合物水凝膠，或可代替受損半月板
時(shí)間：2022-03-04 11:47 來源：高分子科學(xué)前沿 作者：admin 閱讀：240次
半月板是位于股骨髁(FC)和脛骨平臺(TP)之間的楔形纖維軟骨組織，在傳遞和重新分配負(fù)荷、提供緩沖和吸收能量、潤滑和穩(wěn)定膝關(guān)節(jié)等方面起著至關(guān)重要的作用。在過去的十年中，人們致力于半月板替代品的開發(fā)，目的是再現(xiàn)半月板的微觀結(jié)構(gòu)，恢復(fù)半月板的功能，從而保護(hù)關(guān)節(jié)軟骨免受磨損。然而，這些植入物在幾何設(shè)計(jì)上是均勻的，沒有模仿原生半月板的精細(xì)微結(jié)構(gòu)，機(jī)械強(qiáng)度較弱，因此只適合于半月板部分切除術(shù)后保留完整血管區(qū)(半月板外緣)的治療。由于難以再現(xiàn)各向異性的微結(jié)構(gòu)和模量，開發(fā)一種具有可靠的長期機(jī)械和功能支持的半月板置換手術(shù)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。到目前為止，還沒有結(jié)構(gòu)完整、綜合力學(xué)性能高、足夠堅(jiān)固的替代品用于長期的半月板置換。
近日，天津大學(xué)劉文廣教授課題組首次報(bào)道了一種高強(qiáng)度超分子聚合物水凝膠緩沖仿生結(jié)構(gòu)半月板置換物。徑向和周向取向的聚(e-己內(nèi)酯)(PCL)纖維框架是3D打印的，模仿天然半月板中的膠原纖維，以提供周向拉伸支撐。然后，氫鍵增強(qiáng)的抗膨脹聚(n
-丙烯酰甘氨酸酰胺)(PNAGA)水凝膠，復(fù)制了蛋白聚糖在抗軸向壓縮載荷中的功能，注入進(jìn)3D打印PCL框架，從而實(shí)現(xiàn)了持久的能量吸收和緩沖功能，遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)聚丙烯酰胺水凝膠的性能。PNAGA緩沖-PCL的周向楊氏模量為20.15±1.37
MPa，徑向楊氏模量為10.43±1.54 MPa，壓縮模量為1.11±0.14 MPa，撕裂能為17.00±2.07 kJ
m−2。該3D打印PCL-PNAGA半月板支架植入兔膝關(guān)節(jié)12周，體內(nèi)結(jié)果顯示其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，有效保護(hù)軟骨免受磨損，同時(shí)改善了骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)展。相關(guān)工作以“3D
Printed High-Strength Supramolecular Polymer Hydrogel-Cushioned
Radially and Circumferentially Oriented Meniscus
Substitute”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》。
方案1. 3D打印高強(qiáng)度超分子聚合物水凝膠緩沖徑向和周向?qū)虬朐掳逄娲肥疽鈭D。
為了模擬微結(jié)構(gòu)特征，并考慮到機(jī)械需求，研究者提出構(gòu)建一個(gè)PNAGA緩沖3D打印PCL框架半月板替換物，它由徑向和周向的PCL纖維組成，模仿天然半月板的膠原纖維網(wǎng)絡(luò)，從而提供機(jī)械支持，特別是周向的抗拉能力，以及填充PCL框架的PNAGA水凝膠，以復(fù)制蛋白多糖抵抗軸向壓縮載荷和提供緩沖的功能(方案1)。考慮到PCL結(jié)構(gòu)的疏水性，對其進(jìn)行堿預(yù)處理，以增加PCL與PNAGA的潤濕性和表面接觸面積。
3D打印PCL支架的表征
為了研究打印針類型對PCL支架中纖維直徑的影響，在倒置熒光顯微鏡下觀察了打印參數(shù)優(yōu)化后通過不同針頭打印的PCL支架。從圖1a、c中可以看出，在3D打印過程中，使用較大的針可以得到較大的纖維直徑和較小的孔徑。值得注意的是，由于PCL典型的擠出膨脹現(xiàn)象，纖維的理論直徑小于實(shí)際直徑。考慮到兔半月板的尺寸較小，最終使用30G型號的針頭3D打印PCL支架進(jìn)行體內(nèi)植入。
PCL-PNAGA支架的制備與表征
為了修復(fù)半月板損傷，延緩骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)展，本研究提出了一種PCL-PNAGA支架的構(gòu)建策略，該支架由剛性PCL框架進(jìn)行機(jī)械支撐，軟質(zhì)PNAGA水凝膠進(jìn)行能量耗散和緩沖。由于PCL支架的親水性不足，不利于NAGA水溶液的滲透和PCL與PNAGA水凝膠的界面結(jié)合，采用簡單方便的NaOH刻蝕法對3D打印PCL支架表面進(jìn)行處理，目的是增強(qiáng)PCL的親水性。將3D打印的PCL支架在37℃、10 M NaOH溶液中浸泡1 h。徹底清洗后，將含有光引發(fā)劑的30 wt%的NAGA單體溶液注入PCL支架網(wǎng)絡(luò)中，然后光聚合生成矩形和圓柱形PCL-PNAGA支架和PCL-PNAGA半月板支架。
PCL支架和PCL-PNAGA支架的力學(xué)性能
為了分析3D打印PCL支架和PCL-PNAGA支架的生物力學(xué)性能，進(jìn)行了單軸拉伸和無側(cè)限壓縮試驗(yàn)(圖2a-d)。從拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出，所有支架都經(jīng)歷了彈性變形、屈服、變形發(fā)展、應(yīng)變硬化和逐漸破壞五個(gè)階段。隨著纖維間距的增大，排列式PCL支架和交錯(cuò)式PCL支架的抗拉強(qiáng)度和楊氏模量均呈下降趨勢，原因是支架孔徑增大，纖維數(shù)量減少。隨著纖維間距的增加，PCL-PNAGA支架的拉伸強(qiáng)度和楊氏模量也出現(xiàn)了類似的下降。然而，當(dāng)單體濃度為30 wt%時(shí)，PCL-PNAGA支架的抗拉強(qiáng)度和楊氏模量均比PNAGA水凝膠提高了約兩個(gè)數(shù)量級(0.95±0.04 MPa, 0.15±0.01 MPa)。特別是PCL-PNAGA支架具有比PNAGA水凝膠更高的楊氏模量，可以滿足半月板置換的要求。盡管它們的力學(xué)性能在拉伸強(qiáng)度和楊氏模量方面不如原生半月板，但PCL-PNAGA支架具有足夠的強(qiáng)度來維持結(jié)構(gòu)的完整性，并發(fā)揮荷載傳遞的功能。
為了探索PCL-PNAGA半月板支架替代半月板的可行性，研究者也對其力學(xué)性能進(jìn)行了評估。如圖4b、c所示，半月板支架的周向抗拉強(qiáng)度為3.40±0.19 MPa，楊氏模量為20.15±1.37 MPa，徑向抗拉強(qiáng)度為1.41±0.08 MPa，楊氏模量為10.43±1.54 MPa。這表明它可以很好地承受周向和徑向的拉力，以避免膝關(guān)節(jié)的徑向和縱向撕裂。
半月板支架的體內(nèi)植入
3D打印PCL-PNAGA半月板替代物在兔模型中的植入過程如圖5a所示。通過宏觀觀察和國際軟骨修復(fù)協(xié)會(ICRS)評分來檢測PCL-PNAGA半月板支架的軟骨保護(hù)作用(圖5b,c)。圖5b為兔膝FC和TPs以及植入支架表面的宏觀照片。半月板切除術(shù)組在4周和8周后，股骨和脛骨表面出現(xiàn)散在性裂隙，植入時(shí)間較長，甚至出現(xiàn)較大裂隙，軟骨下骨外露。相比之下，PCL-PNAGA組的FC和TPs呈現(xiàn)完整光滑的表面，與假手術(shù)組相似。即使在12周后，PCL-PNAGA組僅觀察到輕微的軟骨表面侵蝕(圖5b)。
小結(jié)
研究者設(shè)計(jì)并制作了一種機(jī)械強(qiáng)度高的超分子聚合物水凝膠注入剛性聚己內(nèi)酯(PCL)人造半月板來模仿天然半月板的微結(jié)構(gòu)。PCL纖維框架首先以徑向和圓周方向3D打印，以模擬天然半月板中的膠原纖維，從而提供圓周拉伸支撐。氫鍵增強(qiáng)不膨脹聚(n-丙烯酰甘氨酸酰胺)(PNAGA)水凝膠，其功能為蛋白聚糖類緩沖墊，然后將具有抗軸向壓縮載荷能力的吸能層填充到3D打印PCL框架中，形成集成的PCL-PNAGA半月板替代品。周向楊氏模量為20.146±1.369 MPa，徑向楊氏模量為10.426±1.539 MPa，壓縮模量為1.11±0.14 MPa，撕裂能為17.00±2.07 kJ m −2，以耗散外部能量，減少磨損。3D打印PCL-PNAGA半月板置換術(shù)植入兔膝關(guān)節(jié)12周。體內(nèi)結(jié)果表明，軟骨結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，有效保護(hù)軟骨免受磨損，同時(shí)改善骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)展。這種PCL-PNAGA半月板替代物具有精細(xì)的仿生微結(jié)構(gòu)和各向異性的生物力學(xué)，可能代表了半月板替代在臨床前應(yīng)用的一個(gè)有前途的策略。
原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202200360
為了模擬微結(jié)構(gòu)特征，并考慮到機(jī)械需求，研究者提出構(gòu)建一個(gè)PNAGA緩沖3D打印PCL框架半月板替換物，它由徑向和周向的PCL纖維組成，模仿天然半月板的膠原纖維網(wǎng)絡(luò)，從而提供機(jī)械支持，特別是周向的抗拉能力，以及填充PCL框架的PNAGA水凝膠，以復(fù)制蛋白多糖抵抗軸向壓縮載荷和提供緩沖的功能(方案1)。考慮到PCL結(jié)構(gòu)的疏水性，對其進(jìn)行堿預(yù)處理，以增加PCL與PNAGA的潤濕性和表面接觸面積。
圖1. 不同針型PCL支架的光學(xué)顯微圖像(30 G，內(nèi)徑0.3 mm；40G，內(nèi)徑0.4
mm；50G，內(nèi)徑0.5 mm)：a) 4×(比例尺:1 mm)、8×放大倍數(shù)(比例尺:300μm); b) 4×放大倍數(shù)(比例尺:1
mm)時(shí)不同的纖維間距(1000、2000、3000μm)。c)不同類型針頭的PCL支架中纖維的理論直徑和實(shí)際直徑。d)不同纖維間距PCL支架的孔徑。數(shù)據(jù)以平均值±SD表示。n
= 3。
3D打印PCL支架的表征
為了研究打印針類型對PCL支架中纖維直徑的影響，在倒置熒光顯微鏡下觀察了打印參數(shù)優(yōu)化后通過不同針頭打印的PCL支架。從圖1a、c中可以看出，在3D打印過程中，使用較大的針可以得到較大的纖維直徑和較小的孔徑。值得注意的是，由于PCL典型的擠出膨脹現(xiàn)象，纖維的理論直徑小于實(shí)際直徑。考慮到兔半月板的尺寸較小，最終使用30G型號的針頭3D打印PCL支架進(jìn)行體內(nèi)植入。
PCL-PNAGA支架的制備與表征
為了修復(fù)半月板損傷，延緩骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)展，本研究提出了一種PCL-PNAGA支架的構(gòu)建策略，該支架由剛性PCL框架進(jìn)行機(jī)械支撐，軟質(zhì)PNAGA水凝膠進(jìn)行能量耗散和緩沖。由于PCL支架的親水性不足，不利于NAGA水溶液的滲透和PCL與PNAGA水凝膠的界面結(jié)合，采用簡單方便的NaOH刻蝕法對3D打印PCL支架表面進(jìn)行處理，目的是增強(qiáng)PCL的親水性。將3D打印的PCL支架在37℃、10 M NaOH溶液中浸泡1 h。徹底清洗后，將含有光引發(fā)劑的30 wt%的NAGA單體溶液注入PCL支架網(wǎng)絡(luò)中，然后光聚合生成矩形和圓柱形PCL-PNAGA支架和PCL-PNAGA半月板支架。
圖2. 排列交錯(cuò)PCL支架和不同纖維間距PCL-PNAGA支架的力學(xué)性能。拉伸強(qiáng)度，斷裂伸長率，楊氏模量和斷裂能。
PCL支架和PCL-PNAGA支架的力學(xué)性能
為了分析3D打印PCL支架和PCL-PNAGA支架的生物力學(xué)性能，進(jìn)行了單軸拉伸和無側(cè)限壓縮試驗(yàn)(圖2a-d)。從拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出，所有支架都經(jīng)歷了彈性變形、屈服、變形發(fā)展、應(yīng)變硬化和逐漸破壞五個(gè)階段。隨著纖維間距的增大，排列式PCL支架和交錯(cuò)式PCL支架的抗拉強(qiáng)度和楊氏模量均呈下降趨勢，原因是支架孔徑增大，纖維數(shù)量減少。隨著纖維間距的增加，PCL-PNAGA支架的拉伸強(qiáng)度和楊氏模量也出現(xiàn)了類似的下降。然而，當(dāng)單體濃度為30 wt%時(shí)，PCL-PNAGA支架的抗拉強(qiáng)度和楊氏模量均比PNAGA水凝膠提高了約兩個(gè)數(shù)量級(0.95±0.04 MPa, 0.15±0.01 MPa)。特別是PCL-PNAGA支架具有比PNAGA水凝膠更高的楊氏模量，可以滿足半月板置換的要求。盡管它們的力學(xué)性能在拉伸強(qiáng)度和楊氏模量方面不如原生半月板，但PCL-PNAGA支架具有足夠的強(qiáng)度來維持結(jié)構(gòu)的完整性，并發(fā)揮荷載傳遞的功能。
圖3. a,e)對齊和c,g)交錯(cuò)PCL-PNAGA支架的抗疲勞性能與循環(huán)拉伸(a,c)和壓縮(e,g)加卸載試驗(yàn)1000個(gè)循環(huán)。b,d,f,h)分別計(jì)算第一個(gè)循環(huán)和每100個(gè)循環(huán)對應(yīng)的極限應(yīng)力和耗散能。在所有循環(huán)中，最大應(yīng)變?yōu)?0%。
圖4. a)
3D打印PCL半月板支架和PCL-PNAGA半月板支架示意圖和照片(比例尺:1cm)。b)
PCL-PNAGA半月板支架沿徑向和周向拉伸的拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線，c)相應(yīng)的抗拉強(qiáng)度和楊氏模量。d)
PCL-PNAGA半月板支架沿軸向壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。e)
PCL-PNAGA半月板支架1000次循環(huán)壓縮加卸載試驗(yàn)的抗疲勞性能，f)計(jì)算對應(yīng)的第一次循環(huán)和每100次循環(huán)的極限應(yīng)力和耗散能。g)小鼠胚胎成纖維細(xì)胞(L929)在PCL半月板支架和PCL-PNAGA半月板支架上培養(yǎng)1天和3天后的細(xì)胞活力。
為了探索PCL-PNAGA半月板支架替代半月板的可行性，研究者也對其力學(xué)性能進(jìn)行了評估。如圖4b、c所示，半月板支架的周向抗拉強(qiáng)度為3.40±0.19 MPa，楊氏模量為20.15±1.37 MPa，徑向抗拉強(qiáng)度為1.41±0.08 MPa，楊氏模量為10.43±1.54 MPa。這表明它可以很好地承受周向和徑向的拉力，以避免膝關(guān)節(jié)的徑向和縱向撕裂。
圖5. a)
3D打印PCL和PNAGA緩沖PCL半月板替代物在兔模型的植入過程。b)術(shù)后4周、8周、12周(4周、8周、12周)股骨髁(FCs)、脛骨平臺(TPs)、半月板植入物肉眼觀察(比例尺:1cm)。c)國際軟骨修復(fù)學(xué)會(ICRS)評分評估軟骨退化。
半月板支架的體內(nèi)植入
3D打印PCL-PNAGA半月板替代物在兔模型中的植入過程如圖5a所示。通過宏觀觀察和國際軟骨修復(fù)協(xié)會(ICRS)評分來檢測PCL-PNAGA半月板支架的軟骨保護(hù)作用(圖5b,c)。圖5b為兔膝FC和TPs以及植入支架表面的宏觀照片。半月板切除術(shù)組在4周和8周后，股骨和脛骨表面出現(xiàn)散在性裂隙，植入時(shí)間較長，甚至出現(xiàn)較大裂隙，軟骨下骨外露。相比之下，PCL-PNAGA組的FC和TPs呈現(xiàn)完整光滑的表面，與假手術(shù)組相似。即使在12周后，PCL-PNAGA組僅觀察到輕微的軟骨表面侵蝕(圖5b)。
圖6. a)術(shù)后4周、8周和12周(4、8和12周)股骨髁(FCs)和脛骨平臺(TPs)的組織學(xué)評估。b)國際骨關(guān)節(jié)炎研究學(xué)會(OARSI)評估軟骨退化的評分。
小結(jié)
研究者設(shè)計(jì)并制作了一種機(jī)械強(qiáng)度高的超分子聚合物水凝膠注入剛性聚己內(nèi)酯(PCL)人造半月板來模仿天然半月板的微結(jié)構(gòu)。PCL纖維框架首先以徑向和圓周方向3D打印，以模擬天然半月板中的膠原纖維，從而提供圓周拉伸支撐。氫鍵增強(qiáng)不膨脹聚(n-丙烯酰甘氨酸酰胺)(PNAGA)水凝膠，其功能為蛋白聚糖類緩沖墊，然后將具有抗軸向壓縮載荷能力的吸能層填充到3D打印PCL框架中，形成集成的PCL-PNAGA半月板替代品。周向楊氏模量為20.146±1.369 MPa，徑向楊氏模量為10.426±1.539 MPa，壓縮模量為1.11±0.14 MPa，撕裂能為17.00±2.07 kJ m −2，以耗散外部能量，減少磨損。3D打印PCL-PNAGA半月板置換術(shù)植入兔膝關(guān)節(jié)12周。體內(nèi)結(jié)果表明，軟骨結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，有效保護(hù)軟骨免受磨損，同時(shí)改善骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)展。這種PCL-PNAGA半月板替代物具有精細(xì)的仿生微結(jié)構(gòu)和各向異性的生物力學(xué)，可能代表了半月板替代在臨床前應(yīng)用的一個(gè)有前途的策略。
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